掘錨一體機機載式探放水鉆機控制系統(tǒng)的設(shè)計

谷樹偉，陳 凱，宋亞新，于明生，劉治翔，鄒 康

（1.遼寧工程技術(shù)大學電氣與控制工程學院，遼寧葫蘆島 125000；2.國家能源集團包頭能源有限責任公司李家壕煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000；3.遼寧工程技術(shù)大學礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)及裝備研究院，遼寧阜新 123000）

巷道掘進嚴格執(zhí)行“有掘必探”的措施，即采取“物探先行、鉆探驗證、化探跟進”的超前探測手段。巷道掘進前須先物探、后鉆探，消除隱患后方可掘進一定距離，待到達允許掘進位置后再物探、鉆探，依次循環(huán)。在鉆探過程中，如果發(fā)現(xiàn)涌水現(xiàn)象，須及時采集水樣進行化驗，分析水質(zhì)類型，辨別出水水源，并采取相應的防治措施[1-3]。

李棟[4-5]介紹了基于模塊化設(shè)計思路研制的ZDY3500T型分體式和ZDY3500LT型履帶式煤礦用探放水鉆機。梁春苗等[6]針對探放水工藝施工的特殊條件，研制了ZDY1300L型淺孔探放水鉆機及其配套裝置和液壓系統(tǒng)。李旺年[7]研發(fā)了與掘錨一體機配套使用的機載錨桿鉆機，并對鉆機的給進裝置、回轉(zhuǎn)器及液壓系統(tǒng)三個關(guān)鍵部分進行了設(shè)計。目前，綜掘工作面前探設(shè)備普遍采用相對獨立的煤礦用液壓鉆機。鉆探時，由人工將液壓鉆機各組成部件運送至迎頭進行組裝，組裝完成后開始探測工作。鉆探過程全由人工完成，探測完成后液壓鉆機各部件被拆解并搬運至掘進機后方放置[8-10]。整個鉆探工作流程復雜，反復裝拆、搬運部件的時間多，工人的勞動強度較大，所需人工也較多，這嚴重影響了掘進工作效率[11-12]。因此，作者設(shè)計了一種掘錨一體機機載式探放水鉆機。為了全方位了解探放水鉆機的工作狀態(tài)，提高探放水鉆機的智能化水平，設(shè)計了鉆機的遠程控制系統(tǒng)，以期為實現(xiàn)自動化、可靠鉆進提供有力保障。

1 探放水鉆機控制系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 探放水鉆機介紹

所設(shè)計的探放水鉆機安裝在原通風除塵風機處，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 探放水鉆機安裝位置示意Fig.1 Schematic of installation position of water exploration and drainage drilling rig

圖2 探放水鉆機結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of water exploration and drainage drilling rig

探放水鉆機主要由連接平臺、框架、動力頭、動力頭推進油缸、動力頭推進軌道、垂直旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)驅(qū)動、水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動、支撐立柱、支撐立柱回轉(zhuǎn)驅(qū)動和液壓夾持器等組成。支撐立柱在探放水鉆機不工作時是水平放置的，在探放水鉆機工作時由其回轉(zhuǎn)驅(qū)動帶動至垂直放置，用來支撐鉆機，提高鉆機作業(yè)時的穩(wěn)定性。

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

探放水鉆機自動電控系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖3所示。其主要包括探放水鉆機狀態(tài)自動感知單元、鉆機作業(yè)自動控制單元、鉆機作業(yè)執(zhí)行機構(gòu)單元和人機界面單元等。

圖3 探放水鉆機自動電控系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.3 General structure of automatic electric control system for water exploration and drainage drilling rig

探放水鉆機狀態(tài)自動感知單元主要包括位移傳感器、壓力傳感器、編碼器、傾角傳感器、光電開關(guān)、超聲波傳感器和液位傳感器等；鉆機作業(yè)自動控制單元主要包括模擬量采集模塊、核心控制器、輸出模塊和通信模塊等；鉆機作業(yè)執(zhí)行機構(gòu)單元主要包括液壓泵站系統(tǒng)、控制器閥組、液壓缸和液壓馬達等執(zhí)行元件。鉆機狀態(tài)自動感知單元將檢測到的鉆機運行狀態(tài)與設(shè)定的參數(shù)進行比對，通過鉆機作業(yè)自動控制單元的控制器運算后得到鉆機執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整參數(shù)，然后控制鉆機作業(yè)執(zhí)行機構(gòu)單元進行相應的調(diào)整，實現(xiàn)鉆機自動作業(yè)以及健康狀態(tài)實時監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)通過井下環(huán)網(wǎng)上傳到地面調(diào)度中心[13-14]。

2 探放水鉆機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

探放水鉆機控制系統(tǒng)的主要監(jiān)測量有一級伸縮油缸位移、二級伸縮油缸位移、鉆機進給油缸位移、垂直旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)驅(qū)動所調(diào)節(jié)的整機傾角、水平回轉(zhuǎn)驅(qū)動所調(diào)節(jié)的整機水平轉(zhuǎn)角、支撐立柱下段油缸壓力、支撐立柱上段油缸壓力、動力頭旋轉(zhuǎn)載荷、動力頭推進載荷、系統(tǒng)總壓力、掘錨一體機傾角、掘錨一體機水平距離、設(shè)備振動加速度和掘錨一體機振動加速度等[15-16]。主要監(jiān)測傳感器的型號及量程如表1所示。

表1 探放水鉆機控制系統(tǒng)主要監(jiān)測傳感器的型號及量程Table 1 Type and range of main monitoring sensors in the control system of water exploration and drainage drilling rig

所有傳感器的輸出信號為0.5～4.5 V的電壓信號。探放水鉆機控制系統(tǒng)的主要控制對象是液壓泵站的電動機和電磁防爆閥組[17-18]。電動機采用開關(guān)量控制；電磁防爆閥組采用STPSV55 C2C/240-3型七聯(lián)閥組控制，其控制信號為模擬量信號。電磁防爆閥組的型號和參數(shù)如表2所示。

表2 電磁防爆閥組的型號和參數(shù)Table 2 Type and parameter of solenoid explosion-proof valve group

探放水鉆機控制系統(tǒng)核心采用西門子S7-200SmartPLC。

綜合以上分析，系統(tǒng)采用1個ST20CPU模塊、1個EM DT16數(shù)字量輸入/輸出模塊、2個EM AE08模擬量輸入模塊以及2個EM AQ04模擬量輸出模塊。PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)主要模塊的接線如圖4所示。

圖4 PLC控制系統(tǒng)主要模塊的接線Fig.4 Wiring of main modules of PLC control system

3 探放水鉆機控制系統(tǒng)工作流程

3.1 總體工作流程

探放水鉆機控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線傳遞信號，進行精準的電液控制，實現(xiàn)高可靠性的智能錨護、健康診斷、設(shè)備狀況自檢等功能，從而可大幅度提高鉆探自動化水平，提升支護效率，降低勞動強度，保障安全。同時，其液壓系統(tǒng)管路較為簡單，系統(tǒng)可靠性較高[19-20]。

鉆探控制分為手動控制和自動控制兩種運行模式。在手動控制模式下，操作人員在操作臺手動操作電磁閥組，控制鉆機姿態(tài)和鉆探作業(yè)；在自動控制模式下，只需操作人員一鍵啟動，鉆機即可自動調(diào)節(jié)鉆機的位置和姿態(tài)進行自動鉆孔作業(yè)，在特殊情況下，可由人工進行干預，防止發(fā)生意外。鉆桿的更換則需要人工。

鉆探作業(yè)流程如圖5所示。

圖5 鉆探作業(yè)流程Fig.5 Drilling operation process

3.2 鉆進深度和鉆桿數(shù)量自動記錄流程

無論是手動鉆探控制還是自動鉆探控制，都須對鉆進深度以及煤壁中鉆桿的數(shù)量進行自動計算，因此設(shè)計了鉆進深度和鉆桿數(shù)量自動記錄子程序。自動記錄流程如圖6所示。

圖6 鉆進深度和鉆桿數(shù)量自動記錄流程Fig.6 Automatic recording process of drilling depth and drill pipe quantity

鉆進時，實時鉆桿數(shù)量等于PLC控制系統(tǒng)中鉆桿計數(shù)器的數(shù)量，實時鉆進深度=鉆桿數(shù)量×鉆桿長度+鉆進位移傳感器讀數(shù)。退鉆時，實時鉆桿數(shù)量等于PLC中鉆桿計數(shù)器的數(shù)量，存留鉆桿長度=記錄的鉆進深度-鉆桿數(shù)量×鉆桿長度-鉆進位移傳感器讀數(shù)。

3.3 卡鉆處理流程

結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗可知，卡鉆原因主要為：1）排渣不暢；2）裂隙卡鉆。因此設(shè)計了卡鉆處理程序，以及時解決卡鉆情況?？ㄣ@處理流程如圖7所示。通過壓力傳感器實時檢測鉆進壓力，當鉆進壓力超過設(shè)定閾值時，控制動力頭反轉(zhuǎn)且推進機構(gòu)回退，以消除卡鉆現(xiàn)象，防止卡鉆對鉆機造成損壞。待鉆機回退后壓力降低，再次令動力頭正轉(zhuǎn)，推進鉆機繼續(xù)進行鉆探作業(yè)。

圖7 卡鉆處理流程Fig.7 Handling process of sticking

4 探放水鉆機控制系統(tǒng)的測試與分析

對所研制的掘錨一體機機載式探放水鉆機及其控制系統(tǒng)進行出廠前的廠內(nèi)功能性試驗。由于采用的油缸缸徑較小，采用位移傳感器外置的方式對油缸行程進行實時測量。外置式油缸位移傳感器的安裝方式如圖8所示。

圖8 外置式油缸位移傳感器安裝方式Fig.8 Installation mode of external oil cylinder displacement sensor

掘錨一體機機載式探放水鉆機的監(jiān)控界面如圖9所示。通過人機界面的存儲功能實時記錄和上傳探放水鉆機工作時的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和鉆進深度等。

圖9 掘錨一體機機載式探放水鉆機監(jiān)控界面Fig.9 Monitoring interface of airborne water exploration and drainage drilling rig of excavating and anchoring all-in-one machine

在國能包頭能源有限責任公司李家壕煤礦進行現(xiàn)場測試，得到了在不同鉆進速度下鉆機的鉆進載荷和鉆進扭矩，如圖10所示。由圖可知，鉆進載荷和鉆進扭矩均基本與鉆進速度成線性關(guān)系，即鉆進速度越高，鉆進載荷和鉆進扭矩越大。

圖10 掘錨一體機機載式探放水鉆機現(xiàn)場測試結(jié)果Fig.10 Field test results of airborne water exploration and drainage drilling rig of excavating and anchoring all-in-one machine

同時，在李家壕煤礦的31115輔運順槽掘進工作面對機載式探放水鉆機進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗。利用早班檢修時間，進行80～100 m探放水鉆孔作業(yè)，即探放水鉆孔作業(yè)不占用掘進作業(yè)時間。安裝在掘錨一體機上的探放水鉆機用于準備工作的時間比分離的坑道探放水鉆機減少80%。根據(jù)現(xiàn)場反饋，所研發(fā)的探放水鉆機具有較好的應用和推廣價值。

5 結(jié) 論

1）研制了掘錨一體機機載式探放水鉆機控制系統(tǒng)。通過系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了鉆機作業(yè)自動化。

2）設(shè)計了鉆進深度和鉆桿數(shù)量自動記錄程序，實現(xiàn)了鉆進深度的自動測量，為自動裝卸鉆桿的設(shè)計提供了依據(jù)。

3）通過廠內(nèi)和井下工業(yè)性試驗驗證了所設(shè)計的探放水鉆機控制系統(tǒng)的可行性。